變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、時(shí)間同步方式與技術(shù)應(yīng)用

王付衛(wèi)

（云南電網(wǎng)公司玉溪供電局，云南 玉溪 653100）

眾所周知，GPS技術(shù)可以覆蓋全球，每天24個(gè)小時(shí)，實(shí)時(shí)向人們提供精確度極高的位置、速度、時(shí)間等信息。目前，GPS技術(shù)為全球的資源共享，被人們廣泛應(yīng)用在導(dǎo)航與定位及授時(shí)等相關(guān)領(lǐng)域。而在我國(guó)的電力系統(tǒng)中，GPS技術(shù)則主要應(yīng)用在變電站中。通過網(wǎng)絡(luò)、RS232與RS485等方式將某些設(shè)備直接與前置機(jī)、遠(yuǎn)動(dòng)裝置網(wǎng)絡(luò)、串行口等進(jìn)行連接。采用特定的協(xié)議達(dá)成通訊的目標(biāo)。

1 變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)主要是由同步時(shí)鐘的本體及時(shí)鐘的擴(kuò)展裝置組成。同步時(shí)鐘的本體也可以叫做主時(shí)鐘，時(shí)鐘的擴(kuò)展裝置也可以叫做時(shí)鐘。要根據(jù)實(shí)際狀況進(jìn)行時(shí)鐘擴(kuò)展裝置的組合。在時(shí)間同步的系統(tǒng)中，組合的形式多種多樣，根據(jù)不同用戶對(duì)于設(shè)備的不同要求，主時(shí)鐘能夠通過電網(wǎng)頻率的測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)時(shí)間服務(wù)器等進(jìn)行調(diào)配。

首先，最簡(jiǎn)式的時(shí)間同步系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)主要通過一個(gè)主時(shí)鐘、時(shí)間信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)、用戶設(shè)備組合而成。顧名思義，最簡(jiǎn)式的時(shí)間同步系統(tǒng)就是設(shè)備結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于日常維護(hù)。但是缺點(diǎn)就是僅靠一個(gè)主時(shí)鐘來(lái)接收一路的GPS衛(wèi)星，如果在主時(shí)鐘接收不到傳遞的GPS信號(hào)后就可能影響內(nèi)部晶振走時(shí)的精準(zhǔn)確度。另外，當(dāng)主時(shí)鐘出現(xiàn)某些故障時(shí)，用戶的設(shè)備中的時(shí)間信號(hào)就只能依靠自身的時(shí)間走時(shí)進(jìn)行日常活動(dòng)。因此最簡(jiǎn)式時(shí)間同步系統(tǒng)非常適用在地縣調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)和用戶設(shè)備較少且低于110kV的變電站中。

其次，主備式的時(shí)間同步系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)主要通過二個(gè)主時(shí)鐘、時(shí)間信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)、用戶設(shè)備組合而成。與最簡(jiǎn)式的時(shí)間同步系統(tǒng)相比，主備式的時(shí)間同步系統(tǒng)補(bǔ)充了最簡(jiǎn)式的時(shí)間同步系統(tǒng)中的不足之處，已經(jīng)完全能夠勝任網(wǎng)省調(diào)的自動(dòng)化系統(tǒng)。

第三，主從式的時(shí)間同步系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)主要通過一個(gè)主時(shí)鐘、多個(gè)從時(shí)鐘、時(shí)間信號(hào)的傳輸介質(zhì)、用戶設(shè)備組合而成。主從式的時(shí)間同步系統(tǒng)中，每一個(gè)用戶的設(shè)備只和與之相關(guān)的從時(shí)鐘進(jìn)行聯(lián)系，因此，不會(huì)導(dǎo)致其他的設(shè)備同時(shí)發(fā)生時(shí)間失步的情況。但是，同時(shí)不能保證如果主時(shí)鐘接收不到GPS信號(hào)時(shí)或者主時(shí)鐘出現(xiàn)某些故障的情況下不發(fā)生時(shí)間失步的狀況。因此，主從式的時(shí)間同步系統(tǒng)往往使用于設(shè)備比較分散但是距離比較遠(yuǎn)的環(huán)境中。

第四，主備主從式的時(shí)間同步系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)主要通過二臺(tái)主時(shí)鐘、多個(gè)從時(shí)鐘、時(shí)間信號(hào)傳輸?shù)慕橘|(zhì)、用戶設(shè)備組合而成。主備主從式的時(shí)間同步系統(tǒng)主要由兩套GPS衛(wèi)星的接收信號(hào)、兩套的主時(shí)鐘構(gòu)成，因此在一個(gè)主時(shí)鐘可能接收不到的GPS信號(hào)、出現(xiàn)某些故障之后仍然可以自動(dòng)通過另一個(gè)主時(shí)鐘來(lái)接管。因此，這種主備主從式的時(shí)間同步系統(tǒng)主要適用在330 kV以上的二次設(shè)備分散式布置的變電站中。

2 變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)間同步方式

變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)的時(shí)間同步方式主要有三種：通信對(duì)時(shí)方式、脈沖對(duì)時(shí)方式、脈沖對(duì)時(shí)方式和串行通信方式相結(jié)合的方式。

首先，通信對(duì)時(shí)方式中的時(shí)間報(bào)文主要由年、月、日、時(shí)、分、秒等組成，也可以采用用戶所指定的特殊內(nèi)容。比如，接收到的GPS衛(wèi)星數(shù)、警報(bào)信號(hào)等等。通信對(duì)時(shí)方式主要容易受距離的限制，因此造成時(shí)間的延時(shí)。但是通信式對(duì)時(shí)方式的GPS能夠用通信報(bào)文把精準(zhǔn)的時(shí)間發(fā)送到總控制的通信單元。而總控通信的單元可以通過現(xiàn)場(chǎng)的總線及串行總線，以廣播報(bào)文的方式把時(shí)間的信號(hào)傳遞到各個(gè)保護(hù)裝置、測(cè)控裝置及第三方的智能化設(shè)備中。如果采用軟件對(duì)時(shí)，則系統(tǒng)可以妹分鐘發(fā)送一次對(duì)時(shí)報(bào)文。這樣，不但節(jié)省了專用的硬件設(shè)備，而且不用單獨(dú)敷設(shè)電纜，大大降低了成本。但是，這種對(duì)時(shí)方式的劣勢(shì)在于對(duì)時(shí)總線的環(huán)節(jié)比較多，容易出現(xiàn)對(duì)時(shí)拖延，導(dǎo)致不同裝置出現(xiàn)時(shí)間差。

其次，脈沖對(duì)時(shí)方式，這種方式主要通過秒脈沖信號(hào)與分脈沖信號(hào)構(gòu)成。秒脈沖通過利用GPS進(jìn)行時(shí)間同步的校準(zhǔn)工作，以此獲得和UTC同步的時(shí)間精準(zhǔn)度。這種方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要是通過GPS裝置將過脈沖的擴(kuò)展板與同步脈沖進(jìn)行擴(kuò)展并放大隔離后傳送輸出。再次通過通訊電纜和保護(hù)裝置、測(cè)控裝置以及第三方的智能化設(shè)備進(jìn)行連接。

第三，脈沖對(duì)時(shí)方式與串行通信的方式相結(jié)合。這種方式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)比較明確：通過對(duì)當(dāng)前變電站普遍采用的脈沖與串行通信進(jìn)行組合，通過軟件對(duì)時(shí)，對(duì)時(shí)系統(tǒng)可以每分鐘就發(fā)送一次對(duì)時(shí)報(bào)文。對(duì)時(shí)裝置能夠獲取時(shí)間報(bào)文中的年，月，日，時(shí)，分，秒等信息。采用脈沖對(duì)時(shí)，則可以保證秒、毫秒的精準(zhǔn)度。這種對(duì)時(shí)方式的組合，可以保證變電站的智能化設(shè)備時(shí)間同步。也是目前我國(guó)變電站中普遍采用的一種對(duì)時(shí)方式。

3 變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)的技術(shù)應(yīng)用

首先，對(duì)于比較小型的變電站中，各種保護(hù)及測(cè)量監(jiān)控裝置的自身一般不帶有硬件時(shí)間的同步接口電路。因此也就需要通過總控單元來(lái)進(jìn)行串口或網(wǎng)絡(luò)方式保持時(shí)間同步。對(duì)于這種同步系統(tǒng)的應(yīng)用，變電站可以不用裝GPS的接收設(shè)備，主要通過調(diào)度主站的GPS時(shí)鐘做為基準(zhǔn)時(shí)間的來(lái)源。變電站的通信主機(jī)進(jìn)行接收與解釋調(diào)度主站傳送的同步時(shí)間報(bào)文。變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用在比較小型的變電站中，要先同步自身的時(shí)間，然后通過站內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)傳送報(bào)文。這樣，保持自動(dòng)化裝置的時(shí)間同步。雖然這種方式的應(yīng)用對(duì)對(duì)時(shí)要求的精度不太高，但由于非常節(jié)約資源減少了投資，因此非常適和應(yīng)用在小型的變電站中。

第二，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的同步和脈沖時(shí)間的同步相結(jié)合。在l10kV以上的變電站中比經(jīng)常應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方式，因?yàn)檫@種時(shí)間同步系統(tǒng)精度不太高。而脈沖時(shí)間的同步方式即使精準(zhǔn)度比較高，但是也不經(jīng)常應(yīng)用在變電站中，因?yàn)槊}沖時(shí)間同步方式不能完整的提供時(shí)間信息。所以，為了能夠最大限度的保證時(shí)間的精準(zhǔn)與完整，在110kV以上的變電站中，我們應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步與脈沖時(shí)間同步的組合形式。這樣，不僅僅綜合利用了網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步方式與脈沖時(shí)間同步方式兩者的優(yōu)勢(shì)，即對(duì)110kV以上的變電站設(shè)備進(jìn)行了時(shí)間同步而且還提高了220kV以上等級(jí)的變電站的精確性和可靠性。所以，這種應(yīng)用模式是軟硬相結(jié)合的時(shí)間同步方式。

第三，B碼時(shí)間的同步應(yīng)用。通過這種方式的時(shí)間同步保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控主要智能化設(shè)備。當(dāng)時(shí)間信號(hào)的輸出單元中的B碼傳輸出B碼對(duì)時(shí)模塊所接收到的時(shí)間同步信號(hào)，并對(duì)各種設(shè)備進(jìn)行時(shí)間同步。在這種狀況下，可以單獨(dú)進(jìn)行保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控主要的智能化設(shè)備的時(shí)間同步。這種應(yīng)用模式，保證了時(shí)間同步的信號(hào)能夠通過網(wǎng)絡(luò)傳送到保護(hù)、測(cè)控等裝置。由于，保護(hù)測(cè)控等設(shè)備也利用B碼時(shí)間進(jìn)行同步，所以被授時(shí)的設(shè)備應(yīng)該屏蔽掉網(wǎng)絡(luò)時(shí)間的同步信號(hào)，單獨(dú)采用B碼時(shí)間同步信號(hào)。這種變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)對(duì)于裝置不僅實(shí)現(xiàn)了時(shí)間同步，而且精準(zhǔn)度達(dá)到了最高。

結(jié)語(yǔ)

伴隨我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)電力系統(tǒng)對(duì)于時(shí)間統(tǒng)一的要求越來(lái)越嚴(yán)格。尤其對(duì)于那些超高壓的變電站來(lái)說，時(shí)間的同步結(jié)構(gòu)、方式、精度非常重要，對(duì)于時(shí)間同步系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。因此，采用變電站中GPS時(shí)間同步系統(tǒng)可以使變電站更加數(shù)字化、智能化。從以上對(duì)于GPS變電站GPS時(shí)間同步系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、時(shí)間同步方式及技術(shù)應(yīng)用的論述來(lái)展示對(duì)時(shí)技術(shù)對(duì)于電力系統(tǒng)的重大作用。采用變電站中GPS時(shí)間同步系統(tǒng)不但是內(nèi)部時(shí)間得以統(tǒng)一，而且也實(shí)現(xiàn)了變電站無(wú)需人員值班的目標(biāo)。在不斷達(dá)到國(guó)家電網(wǎng)調(diào)度的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行的目標(biāo)的同時(shí)，更實(shí)現(xiàn)了變電站時(shí)間同步系統(tǒng)的應(yīng)用更加簡(jiǎn)單、可靠。

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